Effets nucléaires des éclairs, … source de C14 ?

La radio-activité produite par les orages ?

Alors que l’on attribue les causes de la radio-activité aux rayonnements de l’univers et aux réacteurs nucléaires, une étude récente (Enoto, T., et. al., 2017) vient de montrer que les énormes champs électriques dans les nuages d’orage peuvent accélérer des particules suffisamment pour produire des rayons gamma (γ). Ces rayons peuvent produire des réactions nucléaires émettant des neutrons capables de transformer l’isotope 14 de l’Azote en  13N. Cette découverte révèle une nouvelle source naturelle  d’isotopes dans l’atmosphère, dont le carbone 14, qui est largement utilisé dans la datation des objets archéologiques et des œuvres d’art. Quelques réflexions sur l’usage en classe et un projet citoyen (Safecast) de mesures de la radioactivité ambiante sont présentés à la fin de cet article.
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Fig 1:  La radioactivité du Carbone 14 est classiquement évoquée, pas toujours expliquée, en rapport avec les rayons γ provenant de l’univers  [img].

Une confirmation des effets nucléaires des éclairs

Dans une News and Views  de Nature,  Babich, L. A. (2017) rapporte une recherche de Enoto, T., et. al. (2017) : les éclairs et les nuages d’orage sont des accélérateurs de particules naturels. Les avalanches d’électrons relativistes, qui se développent dans les champs électriques à l’intérieur des nuages orageux, émettent des rayonnements γ de type bremsstrahlung (rayonnement de freinage). Ces rayons γ ont été détectés par de nombreux observatoires au sol et dans l’atmosphère ou depuis l’espace. L’énergie des rayons γ est suffisamment élevée pour déclencher des réactions photonucléaires atmosphériques qui produisent des neutrons et finalement des positons par désintégration β + des isotopes radioactifs instables. Notamment 13N, qui est généré par 14N + γ → 13N + n, où γ désigne un photon et  n un neutron. Bien que prévue, cette réaction n’avait jusqu’à présent pas été observée de manière concluante. Les chercheurs publient leurs observations au sol des signaux de neutrons et de positons après la foudre.

https://media.nature.com/w800/magazine-assets/d41586-017-07266-w/d41586-017-07266-w_15233236.jpg
Fig 2 : Les éclairs sont des accélérateurs de particules naturels, ils produisent des réactions nucléaires [img]. Source : Babich, L. A. (2017).

Babich, L. A. (2017)  indique que cette découverte d’Enoto et de ses collègues est importante car elle révèle une source naturelle inconnue d’isotopes dans l’atmosphère, en plus de l’irradiation de la Terre par les rayons cosmiques. Ces isotopes comprennent l’azote 15, le carbone 13 et le carbone 14. Ce dernier est largement utilisé dans la datation des objets archéologiques et des œuvres d’art. En fait, la contribution des orages à l’abondance de carbone 14 de la Terre pourrait être comparable dans certaines régions à celle de l’irradiation cosmique. Des études futures devront vérifier si les orages produisent d’autres isotopes (tels que ceux de l’hydrogène, de l’hélium et du béryllium).

La radioactivité … un phénomène naturel ???

La radioactivité est probablement associée par le public aux activités humaines – les bombes pour ceux qui ont vécu durant la dernière guerre et la guerre froide, les centrales nucléaires et les accidents de Tchernobyl, Fukushima, Three Mile Island ou Lucens pour d’autres.
La radioactivité peut être traitée en classe à partir des thèmes de l’énergie (nucléaire) cf. par exemple Bächtold, M., Munier, V., Guedj, M., Lerouge, A., & Ranquet, A. (2014)., ou de la relativité (Bächtold, M. (2014) L’équation Elibérée = |Δm|c² dans le programme et les manuels de Première S9).

La constance du carbone 14 résulte de radiations naturelles

La décroissance radioactive du Carbone 14 pour dater des restes archéologiques est classiquement basée sur un taux constant dans l’atmosphère, mais cette constance n’est pas souvent expliquée, (comme l’ont montré Décamp, N., & Viennot, L. 2015), elle est parfois évoqué en rapport avec les rayons  γ provenant de l’univers Cf figure 1.
Cette étude d’ Enoto,  et al,  indique qu’une partie importante du C14 serait causé par les orages. Et si leur nombre augmente avec le réchauffement du climat, la constance de ce supplément de flux  γ est en question…
Comme souvent en Science, une réponse apporte de nouvelles questions de recherche !

Une approche citoyenne, des données authentiques en classe ?

L’idée que la radioactivité puisse être naturelle n’apparait probablement pas spontanément chez de nombreux élèves. Et cette publication peut être une façon d’aborder le sujet. Comme souvent la discussion du naturel soulève des questions de responsabilité humaine délicates et risque de polariser des positions environnementalistes ou sceptiques.

Pour fonder la discussion avec des données, on pourrait participer ou profiter d’un projet citoyen (Safecast) qui s’est organisé pour rendre plus aisées le partage des mesures. Parti de Fukushima le projet s’est étendu à de nombreuses autres régions. Ils utilisent un appareil en kit (bGeigieNanoKit/) qui mesure la radioactivité, la position GPS et les enregistre,  ainsi qu’un site pour synthétiser et visualiser sur une carte les mesures de la radioactivité ambiante : (Safecast ).

Fig 3: Mesures Safecast pour le japon. On repère facilement Fukushima [img]. Source : Safecast

On peut y repérer facilement la région de Fukushima, biens sûr mais aussi nos régions – on repère vite l’Auvergne par exemple…
Il y a (encore) peu de données pour la Suisse… vos classes peuvent s’y mettre !


Fig 3: Mesures Safecast pour la région Genève Lausanne Valais [img] Source : Safecast

Grâce à un appareil  bGeigieNanoKit prêté par un doctorant du CERN (Michael Keller, qui a fait une présentation au séminaire Didactique des Sciences  « Research and Practice in Science Education » sur les mesures de radioactivité) je vais tenter de vérifier si le Valais – très riche en granite – est effectivement  plus radioactif que Genève ?

Vous pouvez partager vos données mais aussi vos usages en classe. Par exemple en répondant à ce message – vos commentaires seront postés sur la plateforme  Expériment@l-Tremplins

Sources :

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